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      三元鋰電池壽命及優缺點

      2019-07-11

      什么是三元鋰電池?


      在自然界中,鋰元素是最輕的,原子質量最小的金屬,它的原子量為6.94g/mol,ρ=0.53g/cm3。鋰化學性質活潑,極易失去電子被氧化為Li+,因此標準電極電位最負,為-3.045V,電化學當量最小,為0.26g/Ah,鋰元素的這些特點決定了它是一種具有很高比能量的材料。三元鋰電池是指采用鎳鈷錳三種過渡金屬氧化物為正極材料的鋰二次電池。它充分綜合了鈷酸鋰良好的循環性能、鎳酸鋰的高比容量和錳酸鋰的高安全性及低成本等特點,利用分子水平混合、摻雜、包覆和表面修飾等方法合成鎳鈷錳等多元素協同的復合嵌鋰氧化物。是目前被廣泛研究和應用的一種鋰離子可充電電池。


      三元鋰電池壽命


      所謂鋰電池壽命是指電池在使用過一段時間后,容量衰減為標稱容量(室溫25℃,標準大氣壓,且以0.2C放電的電池容量)的70%,即可認為壽命終止。行業內一般以鋰電池滿充滿放的循環次數來計算循環壽命。在使用的過程中,鋰電池內部會發生不可逆的電化學反應導致容量下降,比如電解液的分解,活性材料的失活,正負極結構的坍塌導致鋰離子嵌入和脫嵌的數量減少等等。實驗標明,更高倍率的放電會導致容量更快的衰減,如果放電電流較低,電池電壓會接近平衡電壓,能釋放出更多的能量。


      三元鋰電池的理論壽命約為800次循環,在商業化的可充電鋰電池中屬于中等。磷酸鐵鋰約為2000次,而鈦酸鋰據說可以達到1萬次循環。目前主流的電池廠家在其生產的三元電芯規格書中承諾大于500次(標準條件下充放電),但是電芯在配組做成電池包后,由于一致性問題,主要是電壓和內阻不可能完全一樣,其循環壽命大約為400次。廠家推薦SOC使用窗口為10%~90%,不建議進行深度充放電,不然會對電池的正負極結構造成不可逆的損傷,若是以淺充淺放來計算的話,循環壽命至少有1000次。另外,鋰電池若是經常在高倍率和高溫環境下放電,電池壽命會大幅下降到不足200次。


      三元鋰電池優缺點


      三元鋰電池在容量與安全性方面比較均衡,是一款綜合性能優異的電池。三種金屬元素的主要作用和優缺點如下:


      Co3+:減少陽離子混合占位,穩定材料的層狀結構,降低阻抗值,提高電導率,提高循環和倍率性能。


      Ni2+:可提高材料的容量(提高材料的體積能量密度),而由于Li和Ni相似的半徑,過多的Ni也會因為與Li發生位錯現象導致鋰鎳混排,鋰層中鎳離子濃度越大,鋰在層狀結構中的脫嵌越難,導致電化學性能變差。


      Mn4+:不僅可以降低材料成本,而且還可以提高材料的安全性和穩定性。但過高的Mn含量會容易出現尖晶石相而破壞層狀結構,使容量降低,循環衰減。


      能量密度高是三元鋰電池的最大優勢,而電壓平臺是電池能量密度的重要指標,決定著電池的基本效能和成本,電壓平臺越高,比容量越大,所以同樣體積、重量,甚至同樣安時的電池,電壓平臺比較高的三元材料鋰電池續航時間更長。單體三元鋰電池放電電壓平臺高達3.7V,磷酸鐵鋰為3.2V,而鈦酸鋰僅為2.3V,因此從能量密度角度來說,三元鋰電池比磷酸鐵鋰,錳酸鋰或者鈦酸鋰具有絕對優勢。


      安全性較差和循環壽命較短是三元鋰電池的主要短板,尤其是安全性能,是一直限制其大規模配組,和大規模集成應用的一個主要因素。大量實測表明,容量較大的三元電池很難通過針刺和過充等安全性測試,這也是大容量電池中一般都要多引入錳元素,甚至混合錳酸鋰一起使用的原因。500次的循環壽命在鋰電池中屬于中等偏下,因此三元鋰電池目前最主要的應用領域是3C數碼等消費類電子產品。


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